[科普中國]-熱自燃

簡介

熱自燃有時也稱為熱爆炸，它是關(guān)于放熱化學反應(yīng)和放熱系統(tǒng)的熱“自動”點火理論。19世紀末和20世紀初，人們逐步認識到氣體（或其他物質(zhì)）的燃燒和火焰的成因是由于熱的不平衡而產(chǎn)生的，比較引人注目的觀點是Van’tHoff在1884年發(fā)表的觀點，即熱自燃只有在反應(yīng)放出的熱和向周圍散發(fā)的熱不能維持平衡時才能發(fā)生。但遺憾的是他只認識到熱平衡的破壞，并沒有進一步地提到臨界條件，即從熱平衡到熱不平衡的界限問題。后來C.Taffand、J.Lefloch和F.Clilgenroth在文獻中提出了“熱圖”，熱圖把熱生成速度及熱損失速度的關(guān)系通過這兩者隨溫度變化的曲線來表示，他們用曲線的相切點表示熱自燃的臨界點。

對熱自燃理論有著重要貢獻的是前蘇聯(lián)著名科學家Semenov。他通過對熱圖的分析，聯(lián)系切點的數(shù)學表達式，推導(dǎo)了熱爆炸界限的定量判據(jù)，首次從理論上提出了定量的熱自燃判別準則，這就使得熱自燃理論一開始就被應(yīng)用于許多反應(yīng)系統(tǒng)的研究中，雖然Semenov熱自燃理論初始是用來說明容器中氣體燃料與空氣組成的可燃混合氣體的熱著火過程的，但Semenov的熱自燃理論不僅適用于可燃性氣體，而且也適用于某些凝聚相物質(zhì)。這些凝聚相物質(zhì)包括爆炸性的（炸藥、火藥）和非爆炸性的液體和固體系統(tǒng)。

Semenov系統(tǒng)Semenov所建立的系統(tǒng)是熱自燃理論所研究的最簡單的系統(tǒng)。Semenov系統(tǒng)認為，反應(yīng)物系統(tǒng)是個溫度均勻分布的放熱系統(tǒng)，簡稱均溫系統(tǒng)。所謂均溫系統(tǒng)，就是系統(tǒng)中的溫度不隨空問位置的變化而變化。其模型中表示反應(yīng)物內(nèi)部沒有溫度梯度，各處溫度均為T，且系統(tǒng)溫度T大于環(huán)境溫度。系統(tǒng)溫度和環(huán)境溫度在邊界處有個溫度突躍，被稱為Semenov系統(tǒng)的邊界條件。

但必須指出的是所建立的Semenov系統(tǒng)是個理想化的系統(tǒng)，系統(tǒng)中所指的溫度，僅僅是一個平均意義上的概念。在實際反應(yīng)過程中，要達到Semenov系統(tǒng)所提出的各點溫度均勻是很難實現(xiàn)的，要接近Semenov的假設(shè)，則必須要有盡可能小的直徑，強烈的對流，很高的導(dǎo)熱系數(shù)，且系統(tǒng)與環(huán)境的傳熱系數(shù)必須低。但是由于Semenov處理的問題比較簡單，較易被接受，眾多科學家都對Semenov提出的模型進行了研究，并且證實不少實際系統(tǒng)可用這種均溫系統(tǒng)近似地代替。如充分攪拌的液態(tài)反應(yīng)，被氣體環(huán)境包圍的固體炸藥顆粒等。2

物理模型操作方法設(shè)有一個容器，體積為V，表面積為F，內(nèi)部充滿可燃預(yù)混氣體。為分析方便，作如下簡化假設(shè)：

（1） 環(huán)境溫度為T0，反應(yīng)過程中混氣的瞬間溫度為T，開始時混氣溫度與環(huán)境溫度相同；

（2） 容器的壁溫在開始時與環(huán)境溫度T0相同，反應(yīng)過程中，壁溫升高，與混氣溫度相同；

（3） 反應(yīng)過程中，容器內(nèi)既無自然對流，也無強迫對流，容器內(nèi)各點的溫度、濃度相同；

（4） 著火前反應(yīng)物濃度變化很小，近似認為不變；

（5） 環(huán)境與容器之間有對流換熱，對流換熱系數(shù)，它不隨溫度變化。3